劉 影， 賈鳴燕， 王桂香， 張曉紅， 付家寬

（哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 前言

磨損是工程材料失效的主要形式之一［1］。為了降低材料的損失，必須對(duì)材料表面進(jìn)行改性。復(fù)合鍍是一種理想的材料表面處理方法［2-3］。近年來(lái)，人們將納米微粒引入傳統(tǒng)復(fù)合鍍中，制備出納米復(fù)合鍍層［4］。本文分析了納米復(fù)合鍍層的耐磨機(jī)制。

1 硬質(zhì)納米復(fù)合鍍層的耐磨機(jī)制

1.1 金屬氧化物微粒

Al2O3的硬度高，且熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性也較好，常作為納米復(fù)合鍍層的增強(qiáng)相。章碩等［5］采用電刷鍍?cè)诨铱阼T鐵表面制備了Cr-n-Al2O3復(fù)合鍍層。其耐磨性相對(duì)于純Cr鍍層的有所提高。高硬度的n-Al2O3微粒彌散分布在鍍層中，起到了強(qiáng)化作用；在磨損過(guò)程中，n-Al2O3微粒對(duì)鍍層中裂紋的擴(kuò)展能起到抑制作用。兩種作用機(jī)制共同提高了鍍層的耐磨性。

TiO2是一種理化性質(zhì)穩(wěn)定、密度小的耐磨材料。馬壯等［6］在鎂合金表面制備了Ni-Cu-P／納米TiO2化學(xué)復(fù)合鍍層。當(dāng)鍍液中TiO2的質(zhì)量濃度為4g／L時(shí)，Ni-Cu-P／納米TiO2化學(xué)復(fù)合鍍層的耐磨性最佳。納米TiO2微粒分布在鍍層中，對(duì)鍍層起到彌散強(qiáng)化作用，進(jìn)而提高鍍層的硬度與耐磨性。但隨著TiO2的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的耐磨性有所降低。

ZrO2具有耐磨損、剛度高、耐高溫、密度小等特點(diǎn)。許喬瑜等［7］采用電鍍法制備了非晶態(tài)Ni-P／ZrO2復(fù)合鍍層。研究發(fā)現(xiàn)：Ni-P 鍍層的耐磨性較差，而非晶態(tài)Ni-P／ZrO2復(fù)合鍍層的磨損量大幅降低。Ni-P 鍍層受黏著磨損和犁削磨損作用，納米ZrO2微粒的加入，緩解了鍍層的黏著磨損和犁削磨損作用，使磨損量大幅降低。

1.2 碳化物微粒

SiC 具有硬度和強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)［8］。石雷等［9］在不銹鋼表面制備了Ni-Co／納米SiC復(fù)合鍍層，其摩擦學(xué)性能比Ni-Co合金鍍層的更好。這是因?yàn)榉稚⒂诮饘倩w內(nèi)的SiC微粒起到了細(xì)化金屬晶粒、彌散強(qiáng)化及支撐作用；此外，SiC微粒的存在改變了復(fù)合鍍層的磨損機(jī)制，由普通合金鍍層的黏著磨損變?yōu)槟チＤp。

WC具有耐磨損、耐高溫、抗沖刷、耐腐蝕及質(zhì)量輕等特點(diǎn)。于錦等［10］為了改善Ni-P鍍層的硬度和耐磨性，采用電刷鍍法制備了Ni-P／納米WC 復(fù)合鍍層。當(dāng)鍍液中納米WC 微粒的質(zhì)量濃度為25 g／L時(shí)，復(fù)合鍍層的硬度為9 180 MPa，耐磨性優(yōu)于Ni-P鍍層的。這是因?yàn)楹屑{米WC 微粒的鍍層的組織更加細(xì)小致密，并且鍍層中高硬度的納米WC微粒與鎳基相結(jié)合良好。

1.3 納米金剛石

納米金剛石具有硬度高、耐磨性好及摩擦因數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，主要用于耐磨、減摩復(fù)合鍍層的制備?？锝ㄐ碌龋?1］的研究表明：當(dāng)納米金剛石的質(zhì)量濃度為20～30g／L 時(shí)，鍍層的耐磨性最好。Ni-P／納米金剛石復(fù)合鍍層的耐磨性得到提高，是由于基體表面的復(fù)合微粒能夠起到支撐載荷、避免黏著磨損的作用，從而降低摩擦因數(shù)。與此同時(shí)，鍍層內(nèi)部的球狀微粒堆砌結(jié)構(gòu)及其高硬度，決定了納米金剛石復(fù)合鍍層優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

李穎等［12］對(duì)納米金剛石／鎳復(fù)合鍍層和普通快速鍍鎳層的耐磨性進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明：納米金剛石的彌散強(qiáng)化作用使復(fù)合鍍層的耐磨性較普通快速鍍鎳層的大幅提高。當(dāng)納米金剛石的質(zhì)量濃度較低時(shí)，隨著其質(zhì)量濃度的增加，鍍層的硬度不斷提高，鎳基質(zhì)的位錯(cuò)滑移受到了阻礙或延遲，塑性變形得到了抑制，強(qiáng)化了復(fù)合鍍層。但當(dāng)納米金剛石的質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，鎳基質(zhì)對(duì)金剛石的包裹能力有所下降，金剛石的分散性和鍍層的致密度降低，導(dǎo)致納米金剛石與金屬鎳的結(jié)合力降低，進(jìn)而鍍層的耐磨性降低。

1.4 稀土氧化物微粒

稀土元素表現(xiàn)出特殊的理化性質(zhì)，將其引入傳統(tǒng)復(fù)合鍍層中已成為今后的研究趨勢(shì)。薛玉君等［13］對(duì)電沉積Ni／納米La2O3復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)納米La2O3微粒均勻彌散分布于鍍層中時(shí)，基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和變形受阻，提高了鍍層的硬度和強(qiáng)度；鍍層組織的細(xì)化也有利于增強(qiáng)其抗磨能力。此外，在摩擦過(guò)程中，具有層狀六方晶體結(jié)構(gòu)的La2O3可起到良好的自潤(rùn)滑作用，降低摩擦磨損。

馬壯等［14］利用化學(xué)鍍法在AZ91D 鎂合金上制得Ni-P／CeO2復(fù)合鍍層。結(jié)果表明：當(dāng)CeO2的質(zhì)量濃度為0.10g／L時(shí)，鍍層的耐磨性最佳。作為第二相硬質(zhì)點(diǎn)的CeO2微粒在鍍層中彌散分布，促使微粒附近的晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，增大了鍍層的內(nèi)應(yīng)力。但CeO2過(guò)量后，耐磨性將受到影響。

2 自潤(rùn)滑納米復(fù)合鍍層的減摩機(jī)制

2.1 層狀結(jié)構(gòu)的微粒

石墨具有穩(wěn)定的層狀六方晶體結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)使層內(nèi)的碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合，不易破壞；而層間的以范德華力結(jié)合，受剪切力作用時(shí)，層面容易滑移，所以石墨具有潤(rùn)滑的性質(zhì)。杜寶中等［15］在低碳鋼基體上電鍍Ni-P／石墨復(fù)合鍍層。在摩擦過(guò)程中，石墨在摩擦副表面形成的潤(rùn)滑膜改善了Ni-P 合金鍍層的磨損性能。軟質(zhì)的石墨微粒具有很低的剪切強(qiáng)度，使Ni-P／石墨復(fù)合材料的硬度降低。石墨特有的層狀結(jié)構(gòu)也降低了摩擦副之間的作用力，提高了復(fù)合鍍層的潤(rùn)滑性和耐磨性。

MoS2具有六方晶系的層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使MoS2極易從層間劈開(kāi)，且與金屬表面結(jié)合牢固，并能形成一層平行于摩擦表面的膜層，有利于自潤(rùn)滑。王蘭等［16］的研究發(fā)現(xiàn)：Ni-P／SiC-MoS2復(fù)合鍍層的耐磨性低于Ni-P／SiC 鍍層的，而高于Ni-P／MoS2鍍層的。這是由于第二相軟質(zhì)微粒MoS2的硬度較低，導(dǎo)致Ni-P／MoS2、Ni-P／SiC-MoS2鍍層的耐磨性有所降低。

2.2 高分子材料微粒

PTFE分子結(jié)構(gòu)含有13 或15 個(gè)—CF2—基化學(xué)重復(fù)單元，其具有較低的摩擦因數(shù)。PTFE 分子間的結(jié)合力很弱，容易滑動(dòng)，滑動(dòng)過(guò)程中在摩擦的對(duì)偶面上容易形成薄的轉(zhuǎn)移膜。張玉峰［17］通過(guò)對(duì)Ni-W-P／PTFE復(fù)合鍍層性能的研究，確定了復(fù)合鍍層中PTFE的體積分?jǐn)?shù)為20%～30%時(shí)，復(fù)合鍍層的摩擦性能最好。

應(yīng)巧寧等［18］研究了化學(xué)鍍Ni-P／PTFE 復(fù)合鍍層的耐磨性。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明：在較低的載荷下，Ni-P／PTFE復(fù)合鍍層具有良好的摩擦學(xué)性能。這是因?yàn)镻TFE發(fā)生一定的變形，在對(duì)偶面上形成了潤(rùn)滑膜，因而鍍層的摩擦因數(shù)較低。當(dāng)鍍層發(fā)生磨損時(shí)，PTFE微粒在鍍層與滑動(dòng)摩擦面之間可以形成一層具有良好潤(rùn)滑作用的薄膜，并且這層薄膜的抗剪強(qiáng)度較弱，所以鍍層具有較好的摩擦學(xué)性能。

2.3 其他微粒

CNTs是一種近似一維線性結(jié)構(gòu)的新型碳材料。研究表明［19-20］：在相同的熱處理?xiàng)l件下，化學(xué)鍍制備的Ni-P／CNTs復(fù)合鍍層比Ni-P／SiC、Ni-P／石墨等復(fù)合鍍層具有更好的自潤(rùn)滑性。具有獨(dú)特管狀結(jié)構(gòu)的CNTs在摩擦過(guò)程中作為鍍層表面自潤(rùn)滑劑和增強(qiáng)體，有效隔離了摩擦表面與鍍層的直接接觸，因此，提高了納米復(fù)合鍍層的自潤(rùn)滑性。

非碳無(wú)機(jī)類富勒烯納米微粒（IF-WS2、IFMoS2）具有球形或橢球形的嵌套的中空或管狀結(jié)構(gòu)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可作為固體潤(rùn)滑劑。韓貴等［21］研究了Ni-P／CNTs和Ni-P／（IF-WS2）化學(xué)復(fù)合鍍層的減摩抗磨性能。兩者的減摩抗磨性能均優(yōu)于化學(xué)鍍Ni-P 和Ni-P／石墨鍍層的。這主要是因?yàn)镹i-P／CNTs化學(xué)復(fù)合鍍層中的CNTs具有優(yōu)異的力學(xué)性能和同軸石墨納米管結(jié)構(gòu)，而Ni-P／（IFWS2）化學(xué)復(fù)合鍍層優(yōu)異的減摩抗磨性能同IF-WS2的封閉層狀類富勒烯球形結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

由于納米微粒表現(xiàn)出獨(dú)特的微觀效應(yīng)，將其引入復(fù)合鍍層中，可以制備出具有各種優(yōu)異性能的納米復(fù)合鍍層。其中，硬質(zhì)微粒和自潤(rùn)滑微粒同時(shí)共沉積的新型復(fù)合鍍層的制備，以及稀土等元素的添加對(duì)鍍層性能的改善逐漸受到了人們的關(guān)注。加強(qiáng)對(duì)納米微粒在鍍液中的穩(wěn)定性、復(fù)合電沉積機(jī)制，以及納米微粒對(duì)鍍層性能強(qiáng)化機(jī)制等問(wèn)題的深入研究，將為納米復(fù)合鍍層的應(yīng)用提供更廣闊的空間。

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